Основные результаты законченных работ

1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАКОНЧЕННЫХ РАБОТ

Физика океана

1. Сформулирован слаботурбулентный закон роста ветрового волнения для случая, когда нелинейный перенос является доминирующим физическим механизмом. В численных экспериментах и на основе анализа экспериментальных зависимостей энергии волнения от разгона, полученных за последние 50 лет, показана справедливость этого закона для ветровых волн в широком диапазоне физических условий. Рассмотрены возможные приложения результатов к тестированию моделей ветрового волнения. (Лаб. нелинейных волновых процессов, зав. лаб., академик , исп. - к. ф-м. н. ).

2. На основе данных высокоточных наблюдений впервые дана количественная оценка изменений потенциальной температуры (q) и солености (S) Лабрадорской воды (ЛВ) и глубинных вод: Северо-восточной (СВГВ) и Северо-Западной (СЗГВ) в бассейне Ирмингера и Исландском бассейне в 1997–2006 гг. Исследование основывалось на данных CTD-измерений, выполненных на повторяемом разрезе по 59.5–60° с. ш. в 1997, 2002, 2004 и 2006 гг.

Рис. Положения изопикнических поверхностей (s0), ограничивающих слои ЛВ (вЛВ и нЛВ), СВГВ и СЗГВ (см. Табл. 1), и распределения солености (епс) на разрезе по 60° с. ш. в бассейне Ирмингера и Исландском бассейне по данным съемок 1997 и 2006 гг. На верхних осях отмечены положения гидрологических станций. Аббревиатуры водных масс раскрыты в тексте.

Согласно результатам исследования, современный этап потепления и осолонения в промежуточных и глубинных слоях бассейна Ирмингера и Исландского бассейна – следствие, преимущественно, сонаправленных изменений характеристик ЛВ и СВГВ, устойчивое потепление и осолонение которых началось почти одновременно в середине 1990-х гг. Таким образом, выявленное совместное потепление и осолонение ЛВ и СВГВ в бассейне Ирмингера и Исландском бассейне, длившееся со второй половины 1990-х гг., вместе с уже имеющейся информацией об изменениях характеристик этих водных масс в 1950-х – 1990-х гг., позволяют заключить, что долгопериодные изменения термохалинных свойств ЛВ и СВГВ близки к синфазным и согласуются с долгопериодной (низкочастотной) составляющей Северо-Атлантического колебания (САК). (Лаб. взаимодействия океана и атмосферы, зав. лаб. – проф. , исп. - к. г.н. , ).

3. Создана новая глобальная климатология характеристик взаимодействия океана и атмосферы, гарантирующая замыкание глобальных и реалистичное воспроизведение региональных балансов энергии тепла и массы на поверхности океана. В отличие от традиционно используемой методики прямого осреднения оценивание месячных и сезонных средних выполнялось посредством интегрирования двойного экспоненциального распределения тепловых потоков с использованием основных параметров распределения – параметра локализации и параметра масштаба. Интегрирование выполнялось для каждого календарного месяца каждого года с 1948 по 2004 для 2-градусных квадратов. (Лаб. взаимодействия океана и атмосферы, зав. лаб. – проф. , к. ф-м. н. , ).

Рис. Величины потоков скрытого тепла в январе (1948-2004), рассчитанные на основе применения двойного экспоненциального распределения по данным величин потоков, рассчитанных по метеорологической информации реанализа NCEP/NCAR только за моменты наблюдений попутных судов из архива ICOADS.

4. Выполнено численное исследование процесса генерации поперечных струй-филаментов, наблюдающихся на спутниковых картах температуры поверхности моря после событий апвеллинга-даунвеллинга в Финском заливе Балтийского моря. Вихреразрешающая модель правдоподобно воспроизвела наблюдавшиеся мезомасштабные когерентные структуры. Показано, что они являются проявлением неустойчивости вдольбереговых бароклинных струйных течений апвеллингового-даунвеллингового происхождения. Путем статистической обработки псевдо-случайных модельных полей температуры и скорости течений получена оценка эффективного коэффициента бокового перемешивания, производимого мезомасштабными когерентными структурами, величиной 500 м2·c-1. (Лаб. морской турбулентности, зав. лаб. - проф. , исп. – д. ф-м. н. ).

5. Сформулированы критерии разрешимости уравнений двумерных движений идеальной жидкости со свободной поверхностью на конечном временном интервале. Предложен метод конструктивной оценки этого временного интервала с помощью численных вычислений с заданной точностью. (Лаб. нелинейных волновых процессов, зав. лаб. - академик , исп. - к. ф-м. н. ).

6. Выполнено исследование течений в проливе Дрейка (Антарктика) по данным разрезов через пролив, выполненных НИС «» в декабре 2003г. и НИС «Академик Иоффе» в ноябре 2005г., в сочетании с данными спутниковых альтиметрических измерений поверхности океана. Получен ряд новых важных результатов, главными из которых являются следующие: (1) Подтверждена трехструйная структура Антарктического циркумполярного течения и получены высокие значения (в среднем 148∙106 м3/с в 2003г. и 158∙106 м3/с в 2005г.) суммарного расхода этого течения и, (2) Обнаружены не известные ранее глубинные течения преимущественно западного направления, приуроченные к глубоководным проходам в рельефе дна океана, несущие в своем поле Антарктическую и Циркумполярную донные воды и характеризующиеся скоростями порядка 5-10 см/с и расходами от 3 до 10∙106 м3/с. (Лаб. морских течений, зав. лаб. – проф. , исп. – проф. , , д. ф-м. н. , ).

7. Продолжены исследования прибрежной зоны российского сектора Черного моря, основной задачей которых является количественная оценка влияния стока малых рек на структуру гидрофизических полей и на некоторые наиболее важные показатели качества водных масс в приустьевых областях. Исследованные акватории расположены в приустьевых областях 6 малых и средних рек: Пшада, Вулан, Туапсе, Сочи, Мзымта и Ашамба. Во всех приустьевых районах обнаружено и закартировано локальное понижение солености верхнего квазиоднородного слоя на 1,5 – 3.0. Характерный пространственный масштаб области опреснения составлял от 2 до 6 км. Наиболее значительные зоны опреснения отмечены у устьев р. Мзымта и Туапсе. Во всех приустьевых областях наблюдались выраженные максимумы биомассы фитопланктона, многократно превышающие фоновые значения, а также растворенных органических веществ и взвеси (см. рис.). Там отмечены также существенные особенности спектральных оптических свойств морской воды. (Лаб. взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов, зав. лаб. – д. г.н. , исп. – к. б.н. , , ).

8. На основании гидрологических измерений в 54-м рейсе НИС «» представлена схема циркуляции вод в Карском море. Вода, поступающая в Карское море через Карские Ворота (0.3 Св), переносится Ямальским течением вдоль западного берега Ямала, после чего поток в ослабленном виде направляется в Северный Ледовитый океан восточнее Новой Земли. Вдольбереговое течение к югу от Новой Земли, направленное на северо-восток, является компенсационным стоком ранее нагнанной воды в юго-западную часть моря. (Лаб. внутренних волн и структуры пограничных слоев океана, завлаб. – д. ф-м. н. )

Рис. Схема течений в Карском море. Черными точками показаны точки

измерений CTD-зондами.

9. Проведено обобщение результатов многолетних исследований по физической океанографии Черного моря (и Азовского моря как части Черноморского бассейна), полученных во второй половине ХХ века на основе анализа материалов судовых и спутниковых наблюдений. На этом материале раскрываются основные особенности состояния и изменений природных условий моря в этот период, описываются современные проблемы, касающиеся окружающей среды Черного моря, и формулируются задачи наиболее перспективных исследований. (Лаборатория экспериментальной физики океана, зав. лаб.- д. ф.-м. н. , исп.- д. ф.-м. н. , к. ф.-м. н. , д. ф.-м. н. ,)

10. В рамках программы комплексного изучения и мониторинга состояния гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических систем Арала в условиях антропогенного кризиса проведены натурные исследования на Аральском море. Обнаружено, что соленость в верхнем квазиоднородном слое (ВКС) западного бассейна Аральского моря достигла максимального значения за весь период наблюдений и составила 117 г/кг, что означает увеличение на 8 г/кг с момента предыдущего измерения в экспедиции в сентябре 2006 г и на 35 г/кг с начала наших наблюдений в ноябре 2002 г. Показано, что прогрессирующее осолонение западного бассейна Аральского моря происходило и происходит за счет двух «конкурирующих» механизмов: локального (или конвективного), связанного с летним испарением в приповерхностном слое самого западного бассейна, и адвективного, связанного с поступлением в придонную часть впадины более соленых и плотных вод восточного бассейна через соединяющий бассейны пролив. В летне-осенних условиях первый механизм проявляется в виде максимума солености в ВКС, а второй – в виде придонного максимума солености. По мере продолжающегося понижения уровня моря и сужения пролива относительные значимости двух механизмов меняются в пользу первого, что и отразилось в изменениях термохалинной структуры моря в последние годы. (Лаб. взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов, зав. лаб. – д. г.н. , исп. – , ).

11. На основе данных, полученных на многодневной заякоренной станции, изучены внутренние волны в наиболее глубокой части западного бассейна Аральского моря. Характер обнаруженной изменчивости скорости и уровня позволяют говорить о проявлении многоузловой внутренней сейши на границе раздела Верхнего квазиоднородного слоя и нижележащего более плотного слоя. На присутствие многоузловой внутренней сейши на верхней границе пикноклина может указывать и характер вертикального распределения температуры вдоль оси западной котловины. Вертикальные смещения изохалин и изотерм имеют тут волновой характер с размахом до 4-5 м и длиной около 20 км. Выполненные наблюдения дают основание утверждать, что в силу особенностей плотностной стратификации и специфической геометрии замкнутого бассейна внутренние сейши играют значительную роль в динамике западного Арала. (Лаб. взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов, зав. лаб. – д. г.н. , исп. – , ).

12. По данным спутникового сканера цвета SeaWiFS с использованием специального регионального алгоритма рассчитаны среднемесячные распределения концентрации хлорофилла (1998-2006 гг.), показателей рассеяния назад взвешенными частицами и поглощения желтым веществом для Черного моря, характеризующие пространственную и временную изменчивость фитопланктона, взвеси и окрашенного органического вещества. По результатам комплексных экспедиционных исследований, проведенных в северо-восточной части моря одновременно со спутниковыми наблюдениями в 2003-2007 гг., разработаны региональные биооптические алгоритмы определения по спутниковым данным концентраций хлорофилла, взвеси и кокколитофорид для периода резкого «замутнения» вод Черного моря в июне. (Лаб. оптики океана, зав. лаб. – д. ф-м. н. ).

13. Разработан оригинальный программно-методический комплекс для статистического анализа спутниковых спектров яркости морской поверхности материалов и представления результатов. Удалось выявить закономерности изменчивости спектральной яркости, связанные с мезомасштабной динамикой вод; обнаружены сезонные особенности распределений яркости, связанные с полем ветра. Предложена концепция годовых спектрально-яркостных «портретов» бассейна как отражение межгодовых вариаций состояния его природной среды, в частности, речного стока, стратификации зондируемого слоя, цветения кокколитофорид. (Лаб. оптики океана, зав. лаб. – д. ф-м. н. ).

14. Обнаружены новые особенности нелинейных взаимодействий баротропных волн Россби с экваториальными захваченными бароклинными волнами. Специфика и новизна задачи состоит в том, что эти волны имеют разную пространственную структуру. Указанный механизм обеспечивает как генерацию экваториальных волн большой амплитуды, так и обратное влияние экватора на средние широты. Огибающие волновых пакетов захваченных волн описываются вынужденными уравнениями Гинзбурга-Ландау, широко известными в нелинейной физике. (Лаб. геофизической гидродинамики, зав. лаб. - д. ф-м. н. ).

15. Разработан метод цифровой акустической связи с помощью псевдошумовых сигналов с использованием специальных методов передачи и цифровой обработки сигналов. Это доказало возможность уверенной передачи океанологических данных от автономных океанологических приборов практически при любых сложных условиях, где стандартные методы неприемлемы. (Лаб. шумов и флуктуаций звука в океане, зав. лаб. - к. ф-м. н. .).

16. Произведена оценка основных параметров пространственно-временной изменчивости системы океан-атмосфера Индоокеанского района. Впервые удалось количественно выделить эффект воздействия явления Эль-Ниньо на поля гидрофизических характеристик Индийского океана с исключением вклада муссонного фактора. В «чистом» виде этот эффект проявился в форме смены полярности зонального термодинамического диполя в экваториально-тропической области Индийского океана (, , ). (Лаб. крупномасштабной изменчивости гидрофизических полей, зав. лаб. - д. ф-м. н. , исп. - проф. , чл-корр. РАН , д. г.н. ).

17. Получены свидетельства наличия автоколебаний в планетарной климатической подсистеме океан-атмосфера-материки. Результаты композиционного анализа глобальных полей атмосферного давления на уровне моря и аномалий приповерхностной температуры показали, что относительно короткопериодные флуктуации современного климата в пределах столетия определяются, по всей вероятности, внутренней динамикой рассматриваемой геофизической системы. Этот вывод основывается на выявленной в работе существенно различной направленности тенденций вековой изменчивости температуры воздуха над океанами и материками. Обнаружено также, что согласованным образом происходило изменение «индекса континентальности» и совершалась перестройка планетарного поля атмосферного давления в середине 70-х годов прошлого столетия, что было приурочено к одному из квазиравновесных состояний климатической системы. (Лаб. крупномасштабной изменчивости гидрофизических полей, зав. лаб. - д. ф-м. н. , исп. - чл-корр. РАН , д. г.н. ).

18. Проведены исследования реакции Адриатического моря на воздействие различных ветров. Удалось промоделировать и объяснить происхождение квазипостоянных фронтов, меандров и поперечных струй, грибовидных течений, вихрей и других мезомасштабных структур, наблюдающихся в Адриатике. Впервые проведены модельные расчеты средней и вихревой кинетических энергий (МКЕ и ЕКЕ) и их сравнение с оценками, сделанными по дрифтерным наблюдениям для различных сезонов. Это позволило объяснить закономерности распределения повышенных уровней МКЕ и ЕКЕ вдоль западного побережья. (Лаб. морской турбулентности, рук. - зав. лаб., проф. ).

19. После натурных исследований 2007г. можно говорить о завершении основного этапа калибрации системы оперативного мониторинга гидрологической среды Белого моря. Исследования в этом направлении ведутся примерно с 2000г. В этом году выполнена комплексная апробация оперативной системы, включавшая в себя калибрацию решения по уровню, измеряемому на ГМС «Соловки», сравнение решения с полигонными глубоководными термохалинными измерениями, выполненными в центре Бассейна Белого моря. Выполненные измерения были обработаны по схеме четырехмерного анализа, что позволило приблизить полученное решение к результатам расчетов по оперативному варианту, рассчитываемому для всего моря. Можно говорить о том, что в первом приближении, система оперативного мониторинга гидрофизических полей Белого моря создана. (Лаб. моделирования динамических процессов в океане, зав. лаб. д. ф-м. н. ).

20. На основе гидростатического варианта модели морской среды выполнены расчеты возмущений морской среды при движении подводного объекта. Выполнены эксперименты для различных значений входных параметров. (Лаб. моделирования динамических процессов в океане, зав. лаб. д. ф-м. н. ).

21. Развита техника анализа климатических рядов, которые нестационарны в интегральном масштабе (масштабе общей длины рядов) и одновременно являются многомасштабной смесью хаотических и внутренне упорядоченных колебаний. Разработан специальный алгоритм расчета вейвлетного преобразования неоднородных климатических рядов, исходящий из рассмотрения вейвлетного преобразования как некоторой обратной задачи для численного интегрирования однородного уравнения Фредгольма. На основе этого алгоритма впервые в мире написана специальная программа прямого расчета вейвлетного преобразования неоднородных временных рядов. (Лаб. синоптических процессов, зав. лаб. - д. ф-м. н. ).

22. Завершена разработка модели, описывающей движение суспензионного потока в море и осаждения частичек ила на дно. Выполненные эксперименты по изучению механизма перемещения ила к центру Черного моря по почти горизонтальной абиссальной равнине показали, что суспензионный поток, плотность которого больше плотности морской воды, может течь по дну моря как вязкая жидкость, образуя донное течение. Определена зависимость кинематического коэффициента вязкости от плотности суспензии. Найдены значения плотности, при которой вязкий ил превращается в вязкопластичное тело. Полученные результаты позволяют описывать течение суспензионного потока уравнениями Навье-Стокса. (ЮО ИОРАН, Лаб. экологии береговой зоны моря, зав. лаб. – д. г.н. ).

23. В рамках модифицированной модели QUODDY-4 рассчитаны пространственные поля приливного дрейфа льда, скорости приливного течения, приливных колебаний уровня, приливных вариаций сплоченности льда и зон приливных сжатий и растяжений льда в окраинных морях Сибирского континентального шельфа, имеющего важные практические приложения. Разработан модуль приливного дрейфа льда, в котором упругие свойства льда описываются эластично-вязкой реологией (СПбФ, Лаб. численных экспериментов по динамике океана, зав. лаб. – проф. ).

24. На основе статистической теории планирования эксперимента разработан алгоритм построения наилучшей линейной оценки ОАВ - фитопланктона, минеральной взвеси и органического вещества – по спектрам яркости океана, измеренным многоканальным фотометром через слой атмосферы. Алгоритм, в отличие от всех других известных алгоритмов восстановления содержания ОАВ в воде, учитывает фотонные (дробовые) шумы и шумы темнового тока фотодетектора. Разработанный алгоритм позволяет оптимально построить эксперимент по восстановлению концентраций ОАВ при наблюдении с любой высоты путем выбора параметров приемника. (СПбФ, Лаб. оптики атмосферы и океана, зав. лаб. - д. ф-м. н. ).

25. Впервые разработан комплекс взаимосвязанных гидродинамических моделей атмосферы и водных объектов (Финский залив, Невская губа, Ладожское озеро), предназначенный для краткосрочного гидрометеорологического прогнозирования в Северо-Западном регионе России. Трехмерная гидродинамическая модель Невской губы и восточной части Финского залива также позволяет прогнозировать скорости течений и возвышение уровня в Невской губе с удовлетворительной точностью. Существенно улучшено воспроизведение суточного хода гидрофизических процессов в Ладожском озере. (СПбФ, Лаб. моделирования биогеохимических циклов, зав. лаб. - д. ф-м. н. ).

26. На основе численного моделирования завершено исследование возникновения, механики и повторяемости экстремальных ветровых волн. Получена функция повторяемости, позволяющая давать вероятностные прогнозы опасных волн. Разработана модель совместной динамики волн и пограничного слоя. Разработаны рекомендации по формулировке граничных условий для моделей прогноза погоды и климата и притока энергии для волновых прогностических моделей. (СПбФ, Лаб. динамической метеорологии, зав. лаб. - к. ф-м. н. ).

27. По данным большого объема экспериментальной информации о гидрологической структуре и динамике вод Черного моря выявлено существование большой климатической, сезонной, месячной и синоптической изменчивости всех параметров. Два года из пяти (2006 и 2007 гг.) оказались аномальными по динамике вод и гидрологической структуре. Зима 2006 г. была холодной, поэтому холодный промежуточный слой (ХПС) сформировался большой мощности – средняя толщина в летний период по 96-ти мильному разрезу составила 85 м, минимальная температура воды - 6.8-7.0оС. Средняя по разрезу глубина границы сероводородной зоны (СВЗ) составила 147 м. Ранее такие данные наблюдались только после холодной зимы 1994 г. В 2007 г., по данным зондирования на разрезе, наблюдалась совсем другая ситуация, чем в 2006 г. Во-первых, отмечались слабые течения на акватории российского сектора, во-вторых, отсутствовали вихревые структуры. Верхняя граница СВЗ за три месяца поднялась на 15 м выше, но, при этом, толщина ХПС осталась прежней. (ЮО ИОРАН, Лаб. экспериментальной гидрологии, зав. лаб. – к. г.н. ).